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INTERFAZ DE RADIO W-CDMAUniversal Mobile Telecommunications System

Claudio [email protected]

IIE

14 de septiembre de 2011

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Agenda

1 Introducción

2 Capa físicaModulación en banda baseSpreadingScrambling

3 Diversidad en W-CDMAPropagación multi-trayectosReceptor Rake

4 HandoversHard HandoverSoft Handover

5 Macrodiversidad

6 Control de potencia

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Agenda

1 Introducción




5 Macrodiversidad


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Interfaz de Radio (Uu) - WCDMA

Estudiaremos la interfaz de radio UTRA-FDDI FDD (Frequency Division Duplex), comunicaciones

bidireccionales con dos portadoras (Uplink / Downlink).I Comúnmente conocida como W-CDMA (Wideband CDMA).

También se encuentra estandarizado el acceso del tipoTDD (Time Division Duplex), el cual no ha sidoimplementado masivamente→ no será estudiado en estecurso.

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Generalidades de capa física

El ancho de canal utilizado por el sistema es fijo en 5Mhz.

UMTS-FDD fue definido originalmente para la banda de2100Mhz (UL/DL: 1920-1980/2110-2170 Mhz).

Actualmente también existen redes operando en lasbandas de 850Mhz y 1900Mhz.

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Agenda

1 Introducción




5 Macrodiversidad


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Capa física

Muy básicamente, la cadena de Tx se compone de:I Modulación de la señal de banda angosta (BB).I Spreading de la señal de banda angosta (’chipping’).I Scrambling de la señal de banda ancha.I Modulación de la señal de banda ancha aleatorizada (RF).

En Rx se aplican las operaciones inversas.

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Modulación en banda base

Los esquemas de modulación son distintos en UL y en DL.

Downlink:I Modulación QPSKI La señal se separa en 2 streams independientes,

modulados en BPSK (I/Q).

Esto aplica para todos los canales excepto el de sincronización.

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Downlink:I Los canales de Datos y de Control son multiplexados en el

tiempo.I Control de potencia→ el canal de control es enviado de

forma continua.

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Problemas en UL:I No siempre hay datos para transmitir→ multiplexación

temporal puede derivar en discontinuidades en latransmisión.

I El Tx está cercano al sistema de audio del Ue.I Esto generaría gaps audibles que son molestos.I Se afecta la calidad de la llamada.

I Se utiliza entonces multiplexación en I/Q.

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Uplink:I Multiplexación en I/Q: Canal de control se envía por Q y

primer canal de datos por I, modulación BPSK en ambos.

I El canal de control se transmite a diferente potencia que elde datos.

I Canales adicionales de datos van tanto por I como por Q.

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Spreading

Expansión o spreading de la señal de banda angosta.La señal original se multiplica por una secuencia de mayor tasa(código de canalización o spreading).

Para un codigo de canalización de largo SF, se obtiene unaseñal de banda ancha, de tasa: chiprate = datarate × SF

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Spreading

En WCDMA el chiprate utilizado es fijo en 3.84Mcps.

El sistema debe elegir el SF adecuado para matchear latasa de la señal original→ datarate = 3,84Mcps

SF .

O visto de otra manera, la velocidad binaria para unusuario en particular dependerá directamente del largo delcódigo de canalización utilizado.

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Spreading

Los códigos de canalización son ortogonales entre sí.Se usan códigos del tipo OVSF→ la ortogonalidad se mantieneaunque se utilicen SF distintos.

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Spreading

Los SF pueden variar de a potencias de 2 desde:I 4 - 256 en ULI 4 - 512 en DL

Por tanto, puede ser necesario agregar bits de paddingpara matchear el valor adecuado de SF (rate matching).

A cada celda le corresponde un árbol OVSF independientede las restantes celdas.

La asignación de sus códigos es controlada por el RNC.

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Spreading

Cuál es la funcionalidad de los códigos de canalización?I UL : Permiten separar distintos canales físicos de un

mismo Ue.I DL : Permiten separar canales físicos de distintos Ue’s

servidos por una celda dada.

En DL, un árbol OVSF es compartido por todos los usuariosservidos por una misma celda.

Los códigos de canalización son códigos específicos de señal.

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Spreading

Se utilizan tramas de 10ms, que se dividen en 15 slots.

Se transmiten entonces 2560 chipsslot .

Con esto se obtienen tasas de 7.5kbps a 960Kbps en DL.

Esta estructura permite variar el datarate (o el SF utilizado) encada trama (solo en UL).

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Spreading y acceso al medio

En un sistema ideal, el uso de códigos ortogonalespermite diferenciar a un usuario de los restantes.

En un sistema real, hay algunos temas para resolver:I UL: La transmisión de los distintos UEs no es síncrona, la

ortogonalidad no se preserva entre ellos→ se genera MUI.

I DL: El número de códigos disponibles en el árbol OVSF esfinito, por tanto deben ser reutilizados en cada celda→ segenera inter-cell interference.

Para mitigar estos efectos se implementa una etapa dealeatorización de las senãles.

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Scrambling

En la etapa de scrambling o aleatorización, la señal debanda ancha obtenida en la etapa anterior se multiplicapor un código PN de tasa 3.84Mcps.Durante este proceso no se produce expansión delespectro→ operación ’chip por chip’.

Los códigos de scrambling son específicos de equipos.

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Scrambling

Los códigos de scrambling se utilizan para diferenciardistintos ’equipos’ :

I UL: Separación entre terminales (UEs). Hay 224 códigoslargos y 224 códigos cortos→ no hay necesidad deplanificación.

I DL: Separación entre distintas celdas. Se utilizan códigosPN largos (8192 códigos posibles).

Scrambling en DL:I Los 8192 códigos largos se agrupan en 512 sets de 16

códigos (1 código primario y 15 códigos secundarios).I Para facilitar el procedimiento de sincronización e

identificación de una celda, el uso se limita a los 512códigos primarios.

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Scrambling

Scrambling en DL:I Una celda es identificada por un código PN largo (truncado

a 38400 chips) de 512 opciones posibles.I La planificación necesaria es casi trivial

En caso de escasez de códigos para una celda dada, unsegundo código de scrambling puede ser habilitado

I Como desventaja se degrada la ortogonalidad entreusuarios.

Ventajas del scrambling:I Reutilización del árbol OVSF a nivel de celda, en DL.I Separación de UEs en UL y mitigación de MUI.

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Cadena de transmisión

Downlink:I Mismo código de canalización en I y Q.

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Downlink:

I DPDCH: canal de datos dedicado.I DPCCH: canal de control dedicado.

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Uplink:I Datos y control son multiplexados en I/Q.

El canal de control de trasmite a diferente potencia que los dedatos.Durante bursts de datos, la transmisión se puede desbalancear.Dual-channel QPSK: se utiliza un código de scramblingcomplejo para redistribuir la potencia equitativamente entre I /Q.

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Uplink:

I DPDCH: canal de datos dedicado.I DPCCH: canal de control dedicado.

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WCDMA vs. IS-95

Diferencias mas notorias entre WCDMA e IS-95 (CDMAclásico):

Característica WCDMA IS-95Espectro 5 Mhz 1.25 MhzChip Rate 3.84 Mcps 1.2288 Mcps

Sincronización Innecesaria GPS

Mayor ancho de banda de W-CDMA brinda mayor diversidad pormultitrayecto.W-CDMA utiliza nodosB asíncronos.HHO Inter-frecuencia: No especificado en IS-95, sí en W-CDMA.

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WCDMA

Figura: Espectro en W-CDMA.

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Agenda

1 Introducción




5 Macrodiversidad


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Diversidad por multi-trayectos

En ambientes NLOS, los diversos obstáculos causanreflecciones, difracción y scattering de la señal transmitida.Consecuentemente, la señal arriba al receptor via distintostrayectos, con diferente potencia, fase, y con retardo variable.

En un ambiente urbanizado, el delay spread del canal estípicamente del orden unos pocos µs.

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Figura: Mecanismos de propagación en ambientes NLOS.

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Para aprovechar la diversidad por multitrayectos, el delay debeser comparable con la resolución del sistema (Tchip = 0.26µs).

Sistemas no-CDMA:I Escasa resolución temporal no permite discriminar distintas

“copias"de la señal.I Las distintas señales se suman o cancelan aleatoriamente.I Se reduce la calidad de la señal.

Figura: Despreading en sist. no CDMA.

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W-CDMA:I La resolución temporal es menor que el delay spread del

canal para ambientes urbanizados.I Se puede discriminar las distintas señales.I Se puede incluso mejorar la calidad de la señal.

Figura: Despreading en W-CDMA.

Para esto es necesario el uso de de receptores de tipo Rake.

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Receptores Rake

En W-CDMA toda la información de un UE está contenidasobre una misma carrier.

El decodificado de la señal es solo una cuestión decapacidad de procesado de la misma.

Un receptor Rake es capaz de decodificar varias copias deuna misma señal en esa carrier.

I Es necesario que los delays entre ellas sean mayores aTchip.

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Receptores Rake

El receptor Rake está compuesto por varios ”correladores",comúnmente llamados ’fingers’.

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Receptores Rake

Cada ’finger’ demodula de forma independiente una de lascopias recibidas de la señal original.Para esto, se introducen delays del orden de ’chips’ entre ellos.

El receptor Rake permite demodular en paralelo varias ’copias’de una misma señal.La salida del receptor puede proveer:

I Varias señales independientes.I Combinar las señales decodificadas para obtener mayor

calidad.

La cantidad de correladores del receptor es específica de laimplementación.

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Agenda

1 Introducción




5 Macrodiversidad


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Handover

El handover es el procedimiento que permite al UEmantener activas sus conexiones mientras se mueve através de la red de acceso.

Es sustancialmente diferente en W-CDMA que en otrastencologías.

Básicamente existen 2 tipos: Hard y Soft Handovers.

El Soft Handover es exclusivo de las tecnologías basadasen CDMA.

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Hard Handover

Break-before-Make: Primero libero recurso establecido, luegoestablezco el nuevo enlace.Utilizado en GSM (el receptor tiene la necesidad de sintonizardistintas frecuencias para realizar el pasaje).

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Hard Handover

Durante un HHO, la frecuencia sintonizada por el UE cambia.I Inter-frequency HHO:

Cambio a una carrier diferente en UMTS.I Inter-RAT HHO:

Cambio de tecnología de acceso (GSM).

El proceso ’break-before-make’ genera un ’gap’ audible en latransmisión.

Además, previo a la ejecución del HHO es necesario realizarmediciones preliminares en la carrier/tecnologíacorrespondiente.

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Hard Handover

Hay dos soluciones:I Receptor DualI Compressed Mode

Receptor DualI Un receptor realiza Tx/Rx normal en UMTS.I El otro receptor realiza mediciones inter-frecuencia o

inter-RAT.I Requiere HW adicional→ $$.I Dependiendo de las bandas sintonizadas, puede generar

interferencia inter-carrier.

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Hard Handover

Compressed Mode (CM)I No todos los time slots se utilizan para la transmisión de

datos.I La UTRAN define un patrón de time slots ’vacíos’

(“transmission gap"):Largo de y ubicación de la ”transmission gap".Patrón de repetición de la “transmission gap".Duración del período de CM.

I Durante el CM, el UE puede realizar las medidasnecesarias.

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Hard Handover

Figura: Ejemplo de patrón de CM.

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Hard Handover

Compressed Mode (CM)I Hay distintos métodos para crear los ’gaps.

Reducción de SFPuncturingReducción de datarate desde capas superiores.

I En cualquier caso, la performance del sistema se degrada.

Luego de realizar las mediciones e informar al RNC, secomienza el procedimiento de HHO.

Esto incluye intercambio de información entre entre elS-RNC, Core y sub-sistema de acceso destino.

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Soft Handover

Durante un soft handover (o soft handoff), el móvil estáconectado simultáneamente con varias celdas.

Esto es posible ya que las celdas transmiten en la mismacarrier.

I Se precisa una sola cadena de Rx con suficiente capacidadde procesamiento para realizar la decodificación.

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Soft Handover

Los receptores Rake son claves para realizar el soft handoff.

Downlink:I El UE recibe la misma información desde varias celdas

distintas.I El receptor Rake emplea un ’finger’ para cada celda

decodificada, correlacionando con el código de scramblingcorrespondiente.

I Para el UE no hay mayor diferencia entre esteprocedimiento, o recibir varias componentes multitrayectosprovenientes de una misma celda.

En Uplink el receptor Rake funciona de la misma manera.

Luego, se pueden combinar de diversas formas las distintasseñales para mejorar la calidad.

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Soft Handover

En sistemas TDMA/FDMA el handover es un procedimientobreve y que acarrea un corte en la comunicación.

En W-CDMA el UE está realizando SHO gran parte del tiempo.I Se evita el ’gap’ en la llamada.I Se puede mejorar la calidad de la señal.I Mayor robustez frente a shadowing (las distintas señales

recibidas son afectadas por distintos canales).

Como contrapartida, tanto el UE como las celdas debenimplementar receptores Rake.

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Soft Handover

En el contexto de una llamada en particular, se puedendividir las celdas de la UTRAN en:

I Active Set: Celdas participando del SHO.I Monitored Set: Celdas que no están participando del

SHO, pero que son candidatas.I Detected Set: Celdas no elegibles según el RNC, pero que

son detectadas durante las mediciones.

La lista de celdas elegibles (AS+MS) es enviada al UE porel RNC.

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Soft Handover

El UE realiza medidas periódicas de estas celdas.

En base a umbrales de add/drop configurados por el RNC, elUE dispara el envío de reportes.

El RNC decide en base a estos reportes (y también otrosfactores) las modificaciones pertinentes al AS.

El RNC también se encarga de realizar modificaciones en lalista de celdas “vecinas"(elegibles) si es necesario.

Softer Handover: Las celdas del AS pertenecen a un mismoNodoB.

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Soft Handover

Figura: Soft Handover.

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1 Introducción




5 Macrodiversidad


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Macrodiversidad

La macrodiversidad es consecuencia del SHO→ el Rxrecibe la misma señal de varias fuentes distintas.El receptor puede combinar las distintas señales recibidaspara aumentar la calidad de la recepción.

Se puede recibir tantas señales como ’fingers’ tenga elreceptor Rake.

Sin embargo, en DL se corre el riesgo de aumentar lainterferencia del sistema.

La ganancia obtenida es máxima cuando todas las ramasdel AS se reciben con potencia y calidad similares.

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Macrodiversidad

Existen distintas formas de combinar las señalesrecibidas.

SSDT (Site-Selection Diversity Transmission)Dinámicamente se elige una celda del AS como ’Primaria’.La celda Primaria transmite canales de control y datos.Las restantes celdas del AS solo transmiten canal decontrol.

MRC (Maximum Ratio Combining)Se combinan las señales recibidas en una sola.

Frame SelectionEn cada trama, se elige la de mejor calidad.

Downlink:La transmisión de cada celda contribuye a aumentar elnivel de interferencia.Generalmente se utiliza SSDT para limitar la polución.El SHO ayuda en este caso a reducir los tiempos dehandover y no a mejorar la calidad de la señal

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Macrodiversidad

Uplink:La macrodiversidad se puede gestionar en 2 niveles.

S-RNC: Cuando se gestiona a nivel de RNC, generalmentese utiliza ’Frame Selection’.

NodoB : En caso de softer handover, el nodo B implementaMRC para maximizar la energía recibida.

La recombinación local en el NodoB de las tramasrecibidas también contribuye a optimizar los recursos detransporte en Iub.

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Agenda

1 Introducción




5 Macrodiversidad


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Control de potencia

Los sistemas CDMA son inestables por naturaleza, uncontrol de potencia eficiente es clave para mantenerbuena calidad de servicio.

Figura: DEP en W-CDMA.55 / 70

Control de potencia

Si la interferencia es muy alta, no es posible decodificar laseñal.Se implementa control de potencia tanto en UL como enDL.

Problema ”Near-Far"Se manifiesta cuando el UE B está mucho más cerca queel UE A.La potencia interferente es superior a la potencia de laseñal deseada.

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Control de potencia

Problema ”Near-Far"Si la interferencia es muy alta, no es posible decodificar laseñal.La potencia máxima de Tx de un UE es entre 21 y 24dbm.

Se busca reducir la potencia de transmisión de losterminales al mínimo necesario para garantizar la calidadde comunicación. 57 / 70

Control de potencia

Interferencia en DLLas señales transmitidas por una celda son ortogonalesentre sí.Sin embargo, al pasar por un canal NLOS esaortogonalidad se pierde→ auto-interferencia.Diferentes scrambling codes no son perfectamenteortogonales→ interferencia inter-celda.

Objetivos:Reducir efectos del problema Near-FarLimitar la interferencia en DLMinimizar efectos de las fluctuaciones del fading.

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Control de potencia en lazo abierto

El UE estima las pérdidas del canal en base a la señalrecibida.Luego ajusta la potencia de Tx.

Ej.: Si la potencia en recepción es baja, el UE asume queestá lejos del nodo y aumenta la potencia.

Como los canales de DL y UL no se son duales, elalgoritmo es de baja precisión.Solo se utiliza para setear la potencia inicial de unaconexión en UL.

CPICH: canal piloto que es transmitido continuamente en DL59 / 70

Control de potencia en lazo cerrado

En lazo cerrado, la estimación de las pérdidas se realizaen Rx, para luego realimentar los resultados al transmisor.Es un mecanismo mucho más preciso que el lazo abierto,pero también más lento.Se utiliza tanto en DL como en UL.

En la UTRAN, se puede dividir en dos procesos:Lazo interior (Fast Loop)Lazo exterior (Outer Loop)

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Lazo interior:En UL, la celda estima el SIR en base al canal de controlrecibido.

SIRest = RSCPISCP .SF

Luego se generan comandos TPC (Transmit power control)siguiendo la regla:

SIRest < SIRtarget → TPC= 1 (aumentar potencia en ∆tpc).SIRest > SIRtarget → TPC= 0 (disminuir potencia en ∆tpc)

El valor ∆tpc es configurado por el RNC, típicamente 1 o 2db.El valor SIRtarget también es seteado por el RNC.

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Lazo interior:Estos comandos son enviados al UE en cada time slot(ftpc = 1500Hz).En base a ellos se modifica la potencia de los canales decontrol y datos.

En DL el lazo de control es similar (puede estar basado en otroindicador de calidad).

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Lazo interior durante SHO - Uplink:Las diferentes celdas participando del SHO envian susTPCs de forma independiente.Para un mismo time slot, el UE puede recibir comandosTPCs opuestos de distintas celdas.

En base a los diferentes TPCs, se debe derivar un soloTPCcmd .

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Lazo interior durante SHO - Uplink:Para la combinación de los TPCs: [0,1]→ [-1,+1]

Hay dos algoritmos definidos según la 3GPP.Algoritmo 1:

Se deriva un TPCcmd en cada slot→ ftpc = 1500HzTPCcmd = [−1, +1]

Algoritmo 2:Se deriva un TPCcmd cada 5 slots→ ftpc = 300HzTPCcmd = [−1, 0, +1]

La función de combinación de los TPCs depende de laimplementación del UE.

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Lazo interior durante SHO - Downlink:El UE envía TPCs de acuerdo a la implementación de sulazo interior de control.Estos son recibidos por todas las celdas del AS.

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Lazo interior durante SHO - Downlink:

Cada celda deriva su comando TPCcmd interno.

TPC: [0,1]→ TPCcmd : [+1,-1]

Se aplica un algoritmo de balanceo de potencia en cadacelda:

P(t) = P(t − 1) + Ptpc(t) + Pbal (t)Pbal es un término correctivo que amortigua diferenciasgrandes entre las distintas ramas del SHO.

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Lazo exterior:En UL, este algoritmo funciona entre el RNC y nodo B.

De acuerdo al servicio requerido, el RNC fija un valor deBLER (Block Error Rate) objetivo.

En base a este BLER, se deriva un valor de SIRtarget inicial,el cual es enviado al nodo B.

Este valor de SIR será utlilizado en el algoritmo de lazointerior por el mismo.

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Lazo exterior:Periódicamente, el RNC reajusta SIRtarget en base a larealimentación del nodoB en cuanto al BLER en UL.

La periodicidad de la realimentación es típicamente entre10-100Hz.

En DL, el algoritmo funciona de forma similar:En base al servicio, el RNC envía el BLER objetivo al UE.Sin embargo, el lazo de control es dependiente de laimplementación del móvil.No es mandatorio según la 3GPP.

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Figura: Control de potencia en lazo cerrado.

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Referencias

Introduction to 3G mobile communications. JuhaKorhonen. Artech House. ISBN 1-58053-287.3GPP TS 25.213 “Spreading and Modulation"(FDD)3GPP TS 25.301 “Radio Interface Protocol Architecture"3GPP TS 25.331 “RRC Protocol"3GPP TS 25.322 “RLC Protocol"3GPP TS 25.321 “MAC Protocol"3GPP TS 25.304 “UE proc. in Idle Mode".

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